High temperature corrosion of steels by nitridation in ammonia
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-01-22
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
68+7
Series
Abstract
Hydrogen economy has emerged as an attractive green energy prospect for a shift towards a carbon-free society. Ammonia is an integral part of hydrogen economy both as a viable hydrogen energy carrier but also as a direct combustible for energy. Ammonia combustion reactions are free of carbon dioxide emissions, making it an attractive green fuel for transportation means that are challenging to fully electrify, such as marine transportation. New process conditions urge to inspect whether the materials in the industrial equipment are suitable for the altered process. In this case, the materials in combustion engines are designed to be compatible with hydrocarbon fuels and require research on their performance in contact with ammonia combustion. Steels can undergo high temperature corrosion and more precisely nitridation when they are exposed to nitrogen-containing compounds, such as ammonia or molecular nitrogen, in higher temperatures. Nitridation is a result of nitrogen diffusion on the surface of the steel, where a metal and nitrogen form a nitride. Nitride layers are generally hard and brittle, and nitrided steels hence require closer inspection to ensure that the required mechanical properties have not fundamentally changed or become compromised for the application requirements. This thesis studied six different steel grades, four alloying steels and two stainless steels, in 400 degrees C ammonia exposure to investigate the changes in the surface microstructure and mechanical properties. Three furnace experiments were conducted, two of which had 14 % ammonia in 86 % argon or in 86 % nitrogen and one as a reference experiment in pure nitrogen. The samples were exposed for hundred, three hundred and thousand hours. Light microscopy and scanning electron microscopy were applied in studying the microstructure and surface, energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction for inspecting the chemical composition of the surface and microindentation for characterisation of mechanical properties. All steel grades developed a nitride film with an average thickness between 13 and 46 micrometres after thousand-hour exposure to ammonia. The mechanical properties were slightly compromised, however no extensive damages were found. The stainless steels exhibited the most widely spread nitridation of all steels. All six steels hence react due to ammonia, but do not undergo detrimental changes.Vetytalous on noussut kiinnostavaksi puhtaan energian mahdollisuudeksi vihreässä siirtymässä. Ammoniakki on olennainen osa vetytaloutta sekä vedyn tehokkaassa varastoimisessa että polttoaineena. Ammoniakin palaminen ei tuota hiilidioksidipäästöjä, mikä tekee siitä kiinnostavan polttoaineen sellaisille liikkumismuodoille, joita on erittäin vaikea sähköistää täysin, kuten pitkän matkan laivaliikenteelle. Uudet teolliset prosessit vaativat aina niissä käytettyjen materiaalien soveltuvuuden uudelleenarvioinnin. Polttomoottorien tapauksessa niissä käytetyt materiaalit on suunniteltu hiilivetyjä sisältäville polttoaineille, joten tutkimusta tarvitaan niiden käyttäytymiseen ammoniakkia sisältävien polttoaineiden kanssa. Korkeissa lämpötiloissa typpeä sisältävät yhdisteet, kuten ammoniakki, voivat aiheuttaa korkean lämpötilan korroosiota teräksissä. Yksi korkean lämpötilan korroosion laji on nitrautuminen, jossa teräksen pintaan muodostuu nitrideitä typen liukenemisen seurauksena. Nitridikerrokset ovat yleensä kovia ja hauraita, minkä vuoksi nitrautuneita teräksiä tulee tutkia, jotta selviää, ovatko mekaaniset ominaisuudet muuttuneet olennaisesti ja onko teräs käyttökelpoinen sen käyttökohteeseen. Tässä työssä tutkittiin kuutta eri terästä, neljää matalaseosteista ja kahta ruostumatonta, joita altistettiin 400 celsiusasteessa ammoniakille, jotta pinnan mikrorakenteen ja terästen mekaanisten ominaisuuksien muutoksia voitiin arvioida. Uunikokeita tehtiin kolme, kahdessa oli 14 % ammoniakkia 86 % argonissa tai 86 % typessä ja yksi koe tehtiin referenssinä puhtaassa typpiatmosfäärissä. Näytteitä altistettiin sata, kolmesataa tai tuhat tuntia. Karakterisoinnissa käytettiin valomikroskopiaa sekä pyyhkäisyelektronimikroskopiaa pinnan mikrorakenteen tutkimiseen, energiadispersiivistä röntgensädespektroskopiaa ja röntgendiffraktiota pinnan kemialliseen tutkimiseen sekä mikroindentaatiota mekaanisten ominaisuuksien tutkimiseen. Kaikki materiaalit muodostivat tuhannessa tunnissa nitridikerroksen, jonka keskimääräinen paksuus vaihteli 13 ja 46 mikrometrin välillä. Mekaaniset ominaisuudet kärsivät hieman, mutta laajoja ongelmia ei löydetty. Ruostumattomissa teräksissä nitrautuminen oli levinnyt laajimmin. Tutkimus vahvisti, että teräkset reagoivat hieman ammoniakin vaikutuksesta.Description
Supervisor
Lindberg, DanielThesis advisor
Huttunen-Saarivirta, ElinaKeywords
ammonia, high temperature corrosion, nitridation, hydrogen economy, steel, ammonia combustion